基于RDFT的电感电流比例前馈控制的混合滤波系统的制作方法

本发明涉及电力系统技术领域，具体地指一种基于rdft的电感电流比例前馈控制的混合滤波系统。

背景技术：

理想情况下，电网中的电压、电流都是正弦波。但实际用电器中存在大量非线性负载，正弦电压加压于非线性负载，使得基波电流发生畸变，从而产生谐波。

近年来，电力用户的各类大功率非线性电子设备apflcr(如民用建筑中的冰箱、空调等)不断增加，给电网造成了极大的负担。电流流经非线性电子设备时与所加的电压不呈线性关系，形成非正弦电流，从而产生谐波。当前电力系统中谐波污染日益严重，谐波干扰是影响电能质量的一大“公害”，严重威胁电力系统的安全稳定运行，亟待采取对策。

谐波的危害十分严重。在民用建筑中，谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低，增加电费支出；其次，谐波会导致变压器过热，加速绝缘老化，缩短变压器寿命，降低供电可靠性；对于电力系统外部，谐波对通信设备和电子设备会产生严重干扰，影响设备正常工作。

技术实现要素：

针对上述现有技术的不足之处，本发明提出一种基于rdft的电感电流比例前馈控制的混合滤波系统，目的在于解决电力系统外部谐波干扰问题，满足高压大功率系统谐波治理与无功补偿的要求。

为实现上述目的，本发明所设计的一种基于rdft的电感电流比例前馈控制的混合滤波系统，其特殊之处在于，所述混合滤波系统包括：

谐波检测电路：用于对三相电网中的传输电流信号采集和分析，监测电网谐波分量；所述谐波检测电路采用滑窗迭代dft算法，输出谐波电流；

无源滤波器：用于滤除谐波；

有源滤波器：用于提高无源滤波器的滤波特性和抑制电网与无源滤波器之间的谐振；

逆变器电流控制电路，基于电感电流比例前馈控制算法，对电路电流的补偿值进行预测，采用后向欧拉近似对电路状态方程进行离散，构建预测模型，控制输出补偿电流。

进一步地，所述谐波检测电路利用滑窗迭代dft算法计算谐波电流分量的递归公式为：

式中an、bn为当前计算得到的n次谐波分量，an'、bn'前一次计算得到的n次谐波分量，n为每周期采样数，nc为最新的采样点，t为周期，w为基波角频率。

更进一步地，所述逆变器电流控制电路的预测模型为：

式中，uab(k+1)为逆变器电路控制电路下一拍输出电压，l为电感值，t为采样周期，k为比例因数，il^*(k+1)为下一拍电感电流，为下一拍电网电压。

更进一步地，所述无源滤波由多个单调谐支路组成，设置与需补偿谐波阶次对应的纯调谐支路；所述有源滤波器与附加电感通过耦合变压器并联后串入无源滤波器中。

更进一步地，所述混合滤波系统还包括功率补偿电路，与三相电网并联，用于补偿电网中的无功功率，滤除谐波电流，平衡三相电网。

更进一步地，所述功率补偿电路的补偿容量计算公式为：

式中，q为补偿容量，p为负载的有功计算功率，为当前无功相位角。

更进一步地，所述谐波检测电路包括电压互感器、霍尔传感器和dft计算模块，所述电压互感器用于提供电网电压信号，所述霍尔传感器用于测量直流侧电容电压信号以及测量负载电流信号，所述dft计算模块用于计算谐波电流。

更进一步地，所述谐波检测电路与有源滤波器之间设置有光隔驱动电路。

更进一步地，所述逆变器电流控制电路包括半导体开关器件、并网电感l、电路等效串联电阻r。

通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明提出了适用于apf的具有高运算速度和跟踪精度的滑窗迭代dft算法，使得谐波电路检测的运算延时大大减少，保证谐波检测的快速准确系统具有极强的实时性。

2、本发明混合型滤波电路兼顾了apf和无源电力滤波器的优点，使用无源滤波器承担大部分谐波和无功补偿的任务，降低了有源电力滤波器的容量，有源滤波器则改善无源滤波器的滤波特性，实现了低成本、低能耗的优良滤波效果。

3、本发明提出的逆变器电流控制电路采用电感电流比例前馈控制算法，对电路电流预测并补偿，减少电网的谐波畸变率。

4、本发明基于传统无差拍预测控制的思想，采用后向欧拉近似对逆变器控制电路的状态方程进行离散，构建新的预测模型，从而推导出一种改进的无差拍预测控制。

5、本发明提出的无功功率补偿，可以提高电网的功率因数，降低损耗，提高供电效率。

附图说明

图1为本发明提出的混合滤波系统的结构框图。

图2为本发明提出的混合滤波系统的电路结构图。

图3为本发明提出的混合滤波系统的单相等效电路结构图。

图4为图1中逆变器电流控制电路的结构图

图5为图1中功率补偿模块结构图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

如图1所示，本发明所提出的一种基于rdft的电感电流比例前馈控制的混合滤波系统，包括：谐波检测电路、无源滤波器、有源滤波器、逆变器电流控制电路、功率补偿电路。

谐波检测电路：用于对三相电网中的传输电流信号采集和分析，监测电网谐波分量；所述谐波检测电路采用滑窗迭代dft算法，输出谐波电流。

无源滤波器：用于滤除谐波。

有源滤波器：用于改善无源滤波器的滤波特性和抑制电网与无源滤波器之间可能发生的谐振。

逆变器电流控制电路，基于电感电流比例前馈控制算法，对电路电流的补偿值进行预测，采用后向欧拉近似对电路状态方程进行离散，构建预测模型，控制输出补偿电流。

功率补偿电路，与三相电网并联，用于补偿电网中的无功功率，滤除谐波电流，减少电网的thd(谐波畸变率)，平衡三相电网。

在本实施例中，谐波检测电路主要由电压互感器、霍尔传感器组成。电压互感器用来给锁相环提供电网电压信号。霍尔传感器测量的直流侧电容电压信号用于稳定直流侧电容电压以及测量负载电流信号用于进行谐波检测。谐波检测电路采用主核芯片stm32f407，并搭载芯片ade7913。ade7913直流电源被dc/dc电源转换器隔离，是一个2阶sigma-deltaadc，采样频率为1024mhz，24-bit输出，1khz的输出频率。基于小波去噪的rdft谐波检测算法在主核芯片stm32f407中完成，将谐波信号进行小波分解，再对得到的小波系数进行阈值化处理，最后进行小波重构得到去噪的谐波信号，降低谐波中噪声引起的误差。

在已知前一个采样时刻计算值的基础上，进行递归关系运算就可得到新的电流分量，将rdft得到的正弦分量和余弦分量相加得到n次谐波电流。rdft运算较为简单，减小了运算延时，有利于保证谐波检测的快速准确。

对任意周期信号x(t)，若其周期为t，w为基波角频率，设每周期采样数为n，以计算基波电流正弦分量a1和余弦分量b1为例：

其中，nc表示最新的采样点，当前采样时刻计算电流分量a1、b1与前一采样时刻计算电流分量a1'、b1'之间存在如下递归关系：

因此，对于任意n次谐波分量，在已知前一个采样时刻计算值的基础上，进行简单的运算就可得到新的电流值。整个递归计算过程只要在初始化阶段的一个周期内完成整周期求和运算，之后就可以按上式递归计算来完成n次谐波分量an、bn的计算。

最终n次谐波电流的计算公式为：

xn(t)即为n次谐波电流。

滑窗迭代dft算法，使得实时采样数据参与负载电流计算，计算后的新和被重新存储到旧和的数据存储单元，通过一个循环指针来定位当前采样数据的存储位置，完成一个完整周期n个点的采样数据计算后，指针回到存储空间的起始位置，开始下一个周期的数据循环更替。rdft算法使得谐波电路检测的运算延时大大减少，系统具有极强的实时性。

本发明提出的混合滤波系统的电路结构如图2所示，us为电网电压；zs为电网的等效阻抗；is、il、if分别为电网侧电流、负载侧电流和滤波支路电流；la为附加电感；t为耦合变压器；l为并网电感；udc为直流侧储能电容。

在本实施例中，无源滤波器用于滤除大部分的谐波并且补偿部分无功功率。无源滤波由多个单调谐支路(包括高通滤波器)组成，设置需补偿谐波阶次对应的纯调谐支路。有源电力滤波器包括检测电路、控制模块、pwm驱动电路、igbt模块，构成电流控制闭环。所述检测电路用于检测所述无源电力滤波器输出的电流；pwm驱动电路用于根据所述检测电路反馈输出的电流数据和指令电流，控制igbt模块的输出电流。有源滤波器通过耦合变压器与附加电感并联,再与无源滤波器串联，然后并入电网。有源滤波器与附加电感通过耦合变压器并联后串入无源滤波器中，耦合变压器起到隔离、匹配pwm变流器的电压与电流容量的作用。有源电力滤波器(apf)输出电流受别的电网电流和谐波源电流控制，被控制为一个谐波电流源，基波无功电流被强迫流过附加电感la，apf中只流过谐波电流。附加电感la与无源滤波器相比基波阻抗很小，所以apf承受的基波电压很小。因此，这种混合有源滤波器可以有效降低有源部分的容量，适用于大功率场合。

无源滤波器可以滤除高压电网的单次谐波，但容易引发系统谐振，单独使用难以满足电网谐波治理的需求。有源电力滤波器(apf)虽然能够克服无源滤波器的缺陷，但难以独立挂在大功率中高压电网上运行。混合型滤波电路兼顾了apf和无源电力滤波器的优点，在谐振拟制和谐波补偿等方面性能更优。通过混合型滤波电路，不仅能够使开关器件容量与成本等方面的限制得到有效的克服，同时还能使高压大功率系统谐波治理与无功补偿的要求得到满足，并且吸收了有源与无源滤波器的优势，性价比较高。

在本实施例中，逆变器电流控制电路主要由4个半导体开关器件组成，s1、s4组成一对桥臂，s2、s3组成另一对桥臂。l为并网电感，r为电路等效串联电阻。

在本实施例中，逆变器电流控制电路采用电感电流比例反馈-电网电压预测前馈控制策略，可建立闭环离散系统。逆变器电流控制电路通过电感电流比例反馈-电网电压预测前馈控制策略输出的信号用于控制开关管的开通与关断。系统给定为交流的电感电流时，电感电流比例反馈-电网电压预测前馈控制闭环系统能准确跟踪给定，无稳态误差。

基于传统无差拍预测控制的思想，本发明采用后向欧拉近似对逆变器控制电路的状态方程进行离散，构建新的预测模型，从而推导出一种改进的无差拍预测控制：

uab(k+1)为逆变器控制电路输出电压，l为电感值，t为采样周期，k为比例因数，il^*(k+1)为下一拍电感电流，为下一拍电网电压的预测值，可以用当前电网电压替代，控制方法可直接在当前时刻由反馈电流il(k)得到下一拍的控制量无需再通过预测模型外推一拍电流，对模型参数敏感度降低。

il^*(k+1)计算公式如下：

uab(k)为逆变桥输出电压，il(k)为电感电流，ug(k)为电网电压。

混合滤波系统单相等效电路如图3所示。理想情况下，电网中的电压、电流都是正弦波。但实际用电器中存在大量非线性负载，正弦电压加压于非线性负载，使得基波电流发生畸变，从而产生谐波电流。混合滤波器单相等效电路中非线性负载可以看作一个电流源il。有源电力滤波器包括检测电路、控制模块、pwm驱动电路、igbt模块，构成电流控制闭环。检测电路用于检测所述无源电力滤波器输出的电流；pwm驱动电路用于根据检测电路反馈输出的电流数据和指令电流，控制igbt模块的输出电流。apf的输出电流受别的直路电流控制，所以被控制为一个谐波电流源ic；zs、zf、za分别为电网等效阻抗、无源滤波器的阻抗和附加电感的阻抗；us和ut分别为电网电压和滤波器接入点的电压；is和if分别为电网侧电流和滤波器支路电流。

逆变器电流控制电路的主电路如图4所示，其中l为并网电感，r为电路等效串联电阻，s1、s2、s3、s4分别为半导体开关器件；ud为直流母线电压，uab为逆变桥输出电压，ug为电网电压，il为流经电感电流，亦为并网电流。

在本实施例中，功率补偿电路采用三菱skml50gbl2t4型号的igbt，其工作电流为150a，最大耐压为1200v，频率为20khz。补偿控制器中的检测电路对电网中的传输电流信号进行实时监控，得到电压电流信息。补偿控制器的控制电路中的dsp处理器分别对电压电流信息作快速傅里叶变换，计算得当前功率因数。当得知功率因数后，对于需要补偿的无功功率补偿容量便可以确定。

功率补偿电路的控制电路部分主要由dsp处理器组成，dsp处理器分别对电压电流信息中无功相位角的值作快速傅里叶变换并可计算得当前功率因数。当得知功率因数后，对于需要补偿的无功功率补偿容量便可以确定。假设负载的有功计算功率为p(单位：w)，为当前无功相位角，补偿后的功率因数设为0.95(对应功率因数角为π/10)。那么补偿容量q(单位：var)可由下式得到：

将当前补偿容量与计算的补偿容量进行比较，若当前补偿容量小于计算的补偿容量则需要向功率补偿电路投入电容器组，反之则需要切除电容器组。

本系统首先通过由电压互感器、霍尔传感器组成谐波检测电路对电网谐波电流进行采集，并经过rdft谐波检测算法，得到各次谐波分量，将各谐波分量输入到逆变器控制电路，通过电感电流比例反馈-电网电压预测前馈控制策略，产生和各谐波分量大小相等、相位相反的补偿电流并注入电路中。然后将电路中的电流(包含谐波电流和补偿电流)依此流入有缘电力滤波器(apf)和无源滤波器中，降低电流的畸变率，进一步优化滤波效果。最后在完成滤波后的电路电流流入电网前，进行无功功率补偿，可以提高电网的功率因数，降低损耗，提高供电效率。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。